книги / 818

фициент влагопроводности грунта; ρd – плотность сухого грунта; δ –

термоградиентный коэффициент.

Для общего случая переноса влаги в грунтах при переменной их влажности закон теплопроводности будет иметь следующий вид:

где q – плотность потока тепла; τп и τж – удельные теплосодержания

пара и влаги; iп и iж – плотность потоков пара и влаги.

Анализ распределения полей влажности в нулевых отметках при сезонном промерзании и оттаивании глинистых грунтов позволяет установить, что интенсивное изменение влажности грунта происходит только непосредственно у фронта льдовыделения, в зоне 10–20 см. Причем закономерность изменения влажности грунта можно считать линейной.

Проведенными экспериментально-теоретическими исследованиями было доказано, что температура замерзания глинистых грунтов

W

определяется относительной влажностью замерзающего грунта WL

и не зависит от числа пластичности, таким образом,

где W – влажность замерзающего грунта; WL – его влажность на границе текучести.

Скорость увеличения массы кристаллов льда в зоне сопряжения насыпей с выемками пропорциональна поверхности их контактов с водой. В связи с этим скорость роста кристаллов и количество необходимой для этого воды быстро увеличивается. Условием роста кристаллов льда является равновесие между количеством тепла, отводящегося к охлаждающей поверхности (фронту промерзания), и тепла, выделяющегося в процессе льдообразования.

Закон нестационарного переноса влаги в грунтах будет иметь следующий вид:

61

где i – плотность общего потока влаги; k – коэффициент потенциалопроводности (влагопроводности) грунта; Pd – плотность сухого грунта; δ – термоградиентный коэффициент; W – градиент влажности грун-

та; t – градиент температуры грунта.

В дальнейшем был разработан аналитический метод определения размера зоны образования морозобойной трещины (6) и зоны интенсивного водо- и теплообмена на участках насыпи и выемки вблизи морозобойной трещины (7).

Длину зоны образования морозобойной трещины находим из выражения

грунта (по наблюдениям – 186 см); hпр – нормативная глубина промерзания (для Пермского края – 190 см).

Влажность грунта земляного полотна на опытном участке

По проведенным расчетам установили, что длина зоны морозобойной трещины составила 8 см, это близко к результатам натурных наблюдений.

Ширина зоны интенсивного тепло- и водообмена в мерзлом (талом) грунте у границы морозобойной трещины (рис. 3) определяется по формуле

62

где λ – коэффициент теплопроводности принят равным 1,75; 1,65 при относительной влажности грунта 0,83; 0,55; 0,61; 0,71 и коэффициенте уплотнения земляного полотна 0,95.

Были получены значения ширины зон интенсивного тепло- и водообмена: осенью в талом грунте для участка выемки – 0,77 м; весной, в мерзлом грунте выемки – 0,86 м и в талом грунте насыпи –

0,85 м.

Рис. 3. Зона образования морозобойной трещины

Полученные дифференциальные уравнения (6) и (7) позволяют объяснить причину образования морозобойной трещины на лесовозных автомобильных дорогах и определить длину и ширину участков зон сопряжений насыпей с выемками в осенне-зимний период, а также назначить малозатратные мероприятия по ликвидации морозобойных трещин в нулевых отметках автомобильных дорог.

Список литературы

1.Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружения. – М.: Стройиздат, 1973. – 290 с.

2.Криогенные процессы в основании дорог / А.М. Бургонутдинов [и др.] // Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе: материалы междунар. науч.-техн. конф. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2005. –

С. 111–116.

63

3.Бургонутдинов А.М. Морозобойные трещины на автомобильных дорогах // Инновации в транспортной политике. Безопасность движения. Охрана окружающей среды: материалы междунар. науч.- техн. конф., посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне, 28-29 октября: в 3 т. – Т. 3. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – С. 41–47.

4.Маслов Н.Н. Физико-техническая теория ползучести глинистых грунтов в практике строительства. – М.: Стройиздат, 1983. – 248 с.

5.Бургонутдинов А.М., Юшков В.С. Разработка способов строительства и ремонта лесовозных дорог, препятствующих образованию морозобойных трещин // Естественные и технические науки. – 2011. –

№6. – С. 576–581.

Получено 28.02.2012

64

УДК 625.73:69.059

Л.М. Тимофеева, Е.С. Краснов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОБ УСИЛЕНИИ СВАЯМИ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ЗЕМПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Рассмотрены различные случаи усиления слабых оснований автомобильных дорог в г. Перми с применением грунтоцементных свай, изготавливаемых по струйной технологии. Показано, что получаемые армогрунтовые свайные основания позволяют значительно повысить несущую способность оснований, однако эффективность используемого метода в значительной степени зависит от мощности и литологического состава грунтов основания.

Ключевые слова: сваи, струйная технология, слабые основания, автомобильные дороги.

Усиление сваями слабых и структурно-неустойчивых грунтов оснований транспортных и гражданских сооружений широко применяется в современном строительстве. В отличие от свайного фундамента, в котором сваи жестко связаны с ростверком и фундамент работает как «расческа», основание, армированное сваями, отделено от вышележащего сооружения и представляет собой многослойную среду с чередующимися мягкими (грунтовыми) и жесткими (сваями) слоями. На- пряженно-деформированное состояние такой среды зависит от соотношения жесткостных параметров свай и окружающего их грунта и от условий взаимодействия соседних слоев. В случае грунтовых свай, мало отличающихся по своим свойствам от окружающего их грунта, расчет грунтового массива можно проводить как квазиоднородного с приведенными жесткостными и прочностными параметрами. Как показали наши расчеты, получаемые величины осадок близки к экспериментальным.

При армировании основания сваями, обладающими высоким сопротивлением сжатию, растяжению и изгибу, модуль упругости которых на порядок отличается от модуля деформации грунта, получаем основание, состоящее из чередующихся мягких и жестких элементов, значительно отличающихся по своим свойствам. Напряженно-дефор-

65

мированное состояние такого основания зависит от технологии погружения или изготовления свай, особенностей взаимодействия их с грунтом и физико-геометрических параметров основания, включая условия размещения свай и их размеры, а также от условий нагружения. При этом нагрузка на свайное основание передается с помощью гибких и жестких ростверков.

При армировании сваями слабых оснований земполотна автомобильных дорог основной нагрузкой на свайное основание является собственный вес земполотна и дорожной одежды. Как показали экспериментальные исследования, современные транспортные нагрузки следует учитывать при высоте земполотна более 4,0 м, а также при расчетах устойчивости откосов. Расстояния между сваями назначают таким образом, чтобы реализовать арочный эффект в интервалах между сваями. Исследованиями установлено, что при нагружении одиночной сваи количество соседних с ней свай, вовлекаемых в совместную работу, изменяется от 2 до 6 и зависит от соотношения жесткостей свай, грунтовых прослоек между ними и расстояния между осями соседних свай. В основаниях из слабых водонасыщенных глинистых грунтов арочный эффект и совместная работа свай могут вообще не проявиться. В результате возникают неравномерные осадки и просадки земполотна, происходит потеря устойчивости земполотна и основания с выдавливанием слабого грунта из-под подошвы сооружения.

В 1956 г. профессором М.Н. Гольдштейном при строительстве железных дорог на болотах в районе Западной Украины было предложено устроить под балластной призмой железобетонный ростверк корытного типа на свайном основании. Однако такая конструкция эстакадного типа не получила распространения в транспортном строительстве в связи с высокой стоимостью. С появлением геосинтетических материалов появилась возможность усиления слабых оснований сваями с гибкими ростверками из геооболочек и пространственных георешеток (GeoVEB). Их внедрение стало возможным в связи с использованием более дешевых грунтовых и грунто-цементых свай, изготавливаемых методом струйной цементации (JET-технология). Как показали экспериментальные исследования устойчивости насыпей на слабых основаниях с армированием контактного слоя георешетками, заполненными крупнообломочными материалами, проведенные Л. Тимофеевой в 1995–1998 гг., укладка на поверхность свайно-грунтового

66

массива гибких ростверков из GeoVEB под подошвой земполотна приводит к значительному повышению несущей способности и жесткости основания и перераспределению нагрузок между сваями.

В настоящей работе рассмотрены три случая усиления в г. Перми слабых оснований автомобильных дорог сваями, изготавливаемыми методом струнной технологии, которые показали, что получаемые результаты в значительной степени зависят от литологического состава грунтов, слагающих основание, вида используемых свай, условий их размещения и параметров, а также отприменяемой методики усиления.

1. Впервые в г. Перми усиление слабого основания грунтоцементными сваями было применено НПО «Космос» при строительстве автодорожного тоннеля по ул. Локомотивной в районе расположения Северного портала. Проходка тоннеля под железнодорожной насыпью на подходе к ст.Пермь II осуществлялась методом микротоннелирования. В основании насыпи залегали сверху вниз следующие грунты: насыпной грунт из среднезернистого песка мощностью Н1 = 2,5 м, прослойка торфа с линзами пылеватого водонасыщенного песка Н2 = 1,2 м, суглинки текучей и мягкопластичной консистенции общей мощностью Н3 = 4,7 м, слой гальки 0,7 м, подстилаемый аргиллитоподобной твердой глиной.

Сваи были изготовлены методом струйной технологии (путем перемешивания грунта с цементом марки БЦ 420Д в пределах глубины их заложения – 8,7 м). Длина инъекционной скважины для всех свай была равна 9,4 м, глубина инъектирования – 8,7 м, т.е. с заглублением в галечниковый слой примерно на 30–40 см. Средний диаметр свай в плотном теле составлял 0,8 м. По данным ЦНИИС, полное твердение грунтоцемента достигалось на четырнадцатый день. Для усиления основания подходного участка тоннеля сваи размещались равномерно по всему участку на расстояние между осями 1,8 м (2,25dсв). Под фундаментами тоннельной обделки использовались грунтоцементные сваи, по оси которых для усиления тела свай при изготовления устанавливались металлические трубы диаметром 87 мм с толщиной стенок 3 мм.

Для определения несущей способности и жесткости свай и свай- но-грунтового массива НИЛ ТРАНСМОСТ были проведены испытания методом статического нагружения тела свай и околосвайного пространства.

67

Методика испытаний была разработана с учетом особенностей технологии изготовления свай. При струйной технологии изготовления в неоднородной грунтовой толще образуется тело сваи с гофрированной боковой поверхностью и анизотропными физическими и механическими параметрами материала сваи. Сопротивление вдавливающим нагрузкам по боковой поверхности такой сваи значительно выше, чем у буронабивных свай, изготавливаемых по стандартной технологии. Однако прочностные и деформативные параметры материала сваи ниже, чем у бетонных свай. Поэтому установить взаимоотношение несущих способностей такой сваи по грунту и по материалу можно только после проведения специальных испытаний. По данным ЦНИИС, максимальная прочность грунтоцементных образцов, полученных с использованием торфа, составляет (при 30%-ном содержании грунта) 34 кГс/см2, минимальная (при 70%-ном содержании) – 11,2 кГс/см2. Исходя из имеющегося слабого участка тела сваи в пределах расположения торфа, с учетом коэффициента неоднородности расчетная несущая способность сваи по материалу была принята равной 53 тс. Расчетная несущая способность по грунту, определенная для сваи-стойки, опирающейся на галечниковый слой с расчетной величиной угла внут-

реннего трения ϕ = 40о, по СНиП 2.02.03–85*, СНиП 2.05.03–84* и тео-

рии предельного равновесия, равнялась 215,5 тс; 89,0 тс и 105,6 тс соответственно. Исходя из этих данных и величины среднего диаметра сваи (0,8 м) максимальная опытная нагрузка, на которую была рассчитана конструкция нагрузочного устройства, была принята равной 130 тс (с учетом коэффициента надежности по нагрузке). Для усиления тела сваи по ее оси при изготовлении устанавливалась металлическая труба диаметром 87 мм с толщиной стенок 3 мм. Поскольку при испытаниях нагрузка передается на голову сваи, было предложено голову одной из опытных свай армировать специальным наголовником, представляющим собой обечайку с приваренными к ней арматурными стержнями длиной 600 мм (безусиления тела сваи металлической трубой).

Нагружение свай осуществлялось с помощью 200-тонного домкрата ступенями по 5,5 тс (10 атм). Вертикальные перемещения сваи измерялись двумя прогибомерами П-1 и П-2 системы Мокина с ценой деления 0,1 мм, которые были установлены с северной и южной сторон сваи (рис. 2). Расположение прогибомеров у всех опытных свай (кроме анкерных) было принято одинаковым, чтобы учесть особенности их

68

изготовления. Учитывая опирание сваи на малосжимаемый грунт (галечниковый слой), можно считать, что свая работает как свая-стойка, и следовало ожидать быстрой стабилизации осадок.

Нагрузка на сваи С-1 и С-2 передавалась посредством специально устроенного наголовника непосредственно на грунтобетон головы сваи, так что труба располагалась внутри наголовника и нагрузку не воспринимала. На сваю С-3 нагрузка передавалась через плиту, расположенную внутри обечайки. Выдергивающее усилие прикладывалось к арматурной трубе, которая была соответствующим образом прикреплена к поддомкратной балке. Результаты испытаний свай на вдавливающие и выдергивающие нагрузки приведены в таблице. Максимальная несущая способность была получена для сваи С-2, которая располагалась рядом с ранее изготовленными сваями усиления основания портальной части тоннеля. Предельные нагрузки на сваи С-1 и С-3 оказались близкими, несмотря на различия в их армировании.

Результаты испытаний свай на вдавливающие и выдергивающие нагрузки

По материалу расчетная предельная несущая способность металлической трубы диаметром 87 мм с толщиной стенки 3 мм на растяжение составляет 36,4 тс (по данным ГОСТ 20295–85 для стали Ст.3сп). Следовательно, максимальное выдергивающее усилие определяется несущей способностью по материалу армирующей трубы.

При вдавливающих нагрузках максимальные перемещения у всех опытных свай произошли с северной стороны (прогибомеры П-1). С южной стороны перемещения оказались значительно ниже (прогибо-

69

меры П-2), что говорит о более плотном теле свай и более высоких деформативных параметрах. При нагрузках до 50 тс зависимость между осадкой и нагрузкой имеет линейный характер и осадка составляет несколько миллиметров. При этом стабилизация осадки наступает практически сразу после приложения нагрузки (в пределах 5 минут). При достижении нагрузкой величины, близкой к предельной, осадки начинают возрастать. При этом увеличивается время их стабилизации, хотя и незначительно (при ступени, предшествующей разрушающей нагрузке, стабилизация осадки происходила в пределах 10 минут и осадка в дальнейшем не возрастала). Это позволяет предположить, что предельное состояние достигается за счет потери прочности ствола сваи, а не грунта основания, стабилизация осадок которого при нагрузках, близких к предельным, в аналогичных грунтовых условиях обычно наступает по истечении примерно получаса. Характер разрушения сваи С-1 также доказывает наступление предельного состояния по материалу сваи. В момент потери устойчивости на поверхности головы сваи появилась вертикальная трещина, в которую ушла вода, находившаяся в выемке вокруг сваи. Аналогичный характер перемещений и разрушения был получен при испытаниях сваи С-2, хотя величина предельной нагрузки оказалась значительно выше и приблизилась к расчетной по грунту (см. выше).

Каким образом произошло разрушение сваи С-3, пока невозможно установить, поскольку нагрузка через армирующий элемент передавалась непосредственно на тело сваи. Для установления характера разрушения необходимо было откопать сваю. Большая величина перемещения с северной стороны объясняется наклоном труб анкерных свай, вследствие чего испытательная нагрузка прикладывалась с эксцентриситетом. В процессе испытаний произошел значительный крен поддомкратной балки. Угол наклона при предельном смещении составил около 10о.

По результатам испытаний были приняты следующие значения несущей способности грунтоцементных свай в данных инженерногеологических условиях:

– для свай, армированных металлической трубой диаметром

87 мм, Fd = 63,1 тс (631 кН);

–для свай с армированным оголовком Fd = 52,6 тс (526 кН);

–выдергивающее усилие Fd = 36,3 тс (363 кН).

70